[发明专利]一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造和光电子器件制造技术领域，尤其涉及一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法。

背景技术

LED图形化（蓝宝石衬底图形化和LED外延片图形化）已经被学术界和工业界认为是提高光生成效率和光萃取效率以及改进光源质量（控制光发射方向和远场图形均匀性）最有效途径，即所谓纳米级图形化蓝宝石衬底（Nano-Patterned Sapphire Substrate,NPSS）和LED外延片图形化技术（Photonic Crystal LED,光子晶体LED；Nanorod LED,纳米棒LED；Nanowire LED,纳米线LED），目前被业界认为是提高取光效率，实现超高亮度LED最有效的技术手段之一。不同于传统IC领域所指使用的平整洁净硅片，蓝宝石衬底和LED外延片具有以下特点，表面不平整，存在翘曲和弯曲变形，厚度尺寸变化大，并且会有数微米尺寸的表面尖锐的突起，以及存在较为明显的表面缺陷和颗粒状污染物，而且呈现出易碎的特性。因此，采用现有的各种微纳制造方法，在非平整LED外延片或蓝宝石衬底表面高效、低成本、规模化制造出大面积、高深宽比微纳结构是极为困难的，无法满足LED图形化工业级应用的需求。例如，由于LED外延片存在翘曲、弯曲以及表面波浪外形和尖锐的凸起，传统光学光刻焦深比无法适应曝光的要求；采用电子束光刻制造大面积纳米结构成本高，生产率低，难以实现大面积、规模化的制造。对于NPSS，采用现有的接触式或者接近式光刻设备无法满足纳米图形制造精度的要求，采用步进式投影光刻（Stepper）虽然可以实现NPSS制造，但是半导体行业使用的Stepper在LED行业显得过于昂贵，大大增加了LED的制造成本。而LED对于成本非常敏感。另外，目前一些企业采用二手翻新的Stepper，但是在产品良率、设备可靠性等方面都存在问题。干涉光刻在大面积周期性的微纳结构制造方面具有较大的优势，但是该方法的显著不足：焦深小、纳米结构图形的可选择性差、对于生产环境的要求苛刻（与LED生产工艺兼容性差），尤其是目前几乎还没有一家商业化公司提供成熟的干涉光刻机（大尺寸晶圆纳米图形的制造）。虽然其它诸如纳米球珠光刻、阳极氧化铝模板（AAO）、自然光刻、嵌段共聚物自组装等纳米制造方法也已经尝试被应用于LED图形化，但是都在存在某方面的不足，如成本、生产率、一致性、良率和规模化制造等。无法满足LED图形化的高效、低成本、一致性好工业级生产要求。

纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography，NIL)是一种全新微纳米图形化的方法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方法相比，NIL具有高分辩率、超低成本（国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级）和高生产率的特点，而且其最显著的优势在于大面积、复杂三维微纳结构制造的能力，尤其是对于软紫外纳米压印具有在非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、易碎衬底上底上实现晶圆级纳米压印的潜能，以及滚压印工艺所特有的连续大面积压印能力。纳米压印光刻已经被学术界和工业界确定为实现LED图形化的最理想的技术方案。但现有纳米压印工艺应用于LED图形化，在模具寿命、生产率、良率和可靠性等方面还存在许多不足，尤其还面临一些挑战性技术难题，如大面积脱模困难、软模具变形、颗粒状污物和尖锐的突起缺陷对于模具的损伤、压印图形的一致性和可重复性等。另外，在图形转移过程中的工艺环节，蓝宝石和GaN等材料难以刻蚀，通常需要先沉积一层硬掩模层，为了降低生产成本，缩短工艺路线，直接在抗蚀剂上压印出大深宽比的特征结构，可以省去硬掩模层工序，简化了生产工艺和降低了生产成本。因此，LED图形化对于在非平整表面或曲面或易碎衬底上高效和低成本制造大面积、高深宽比微纳结构的新型压印技术有着非常迫切的需求。

所以，为了满足LED图形化的工业级应用需求，迫切需要开发新的纳米压印工艺和装备，它具有在非平整表面上低成本、高效量产大面积、高深宽比、微纳米结构能力。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法，它采用一种低成本水溶性、薄膜状弹性复合软模具，并结合大面积纳米压印工艺和气体辅助渐进顺序施压以及揭开式脱模方法，实现在非平整表面（弯曲、翘曲、台阶或者突起）或者曲面或者易碎性衬底高效、低成本制造大面积、高深宽比微纳结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：